无源光网络

无源光网络由服务提供商中心局(集线器)的光线路终端(OLT)和多个光网络单元以及光网络终端组成。与点对点架构相比，无源光网络减少了所需的光纤和中央局设备数量。无源光网络是光纤接入网的一种形式。

在大多数情况下，下行信号被广播到共享多根光纤的所有用户。加密可以防止窃听。

上行信号使用多址协议(通常是时分多址)进行复用。

国际电气与电子工程师协会(IEEE)与国际电信联盟(ITU-T)通信标准委员会这两个主要标准小组与许多其他行业组织一起制定标准。有限电视工程师协会(SCTE)也规定了通过无源光网络在光纤中传输射频信号的频率。

2.1 全业务接入网（FSAN）和国际电信联盟（ITU）

从1995年开始，光纤到户的工作由全业务接入网(FSAN)工作组完成，该工作组由主要电信服务提供商和系统设备商组成。^[2] 国际电信联盟(ITU)做了进一步的工作，并对两代无源光网络制定了标准。旧的ITU-T G.983标准基于异步传输模式(ATM)，因此被称为APON (ATM PON)。对原有异步传输标准做了进一步改进后，新的G.983更为完整，被称为宽带无源光网络，即BPON。典型的APON/BPON提供每秒622兆比特(兆比特/秒)(OC-12)的下行带宽和每秒155兆比特(兆比特/秒)(OC-3)的上行速率。

与BPON相比，ITU-T G.984千兆无源光网络(GPON)标准使用更大的可变长度数据包，在总带宽和频谱效率方面都有所提高。同样，这些标准兼容多种比特率，但行业中2.488Gbit/s的下行带宽和1.244 Gbit/s 的上行带宽已经是事实标准。GPON封装方法(GEM)通过帧分割高效地打包用户流量。

截至2008年年中，Verizon已经部署了80多万条线路。英国电信、BSNL、沙特电信公司、Etisalat和AT&T分别在英国、印度、沙特阿拉伯、阿联酋和美国进行试验。GPON网络现已部署在全球众多网络中，这一趋势表明GPON比其他无源光网络技术增长更快。

G.987定义的10G-PON下行速率10Gbit/s，上行速率为2.5 Gbit/s——它的帧结构类似于“G-PON”，旨在与同一网络上与GPON设备兼容。^[3]

2.2 安全

安全无源光网络(SPON)由电缆制造业务公司(Cable Manufacturing Business)于2009年开发，旨在满足美国空军的SIPRNet要求，集成了千兆无源光网络(GPON)技术和保护分配系统(PDS)。

NSTISSI 7003针对PDS要求的更改以及美国联邦政府对绿色技术的授权允许美国联邦政府考虑将这两种技术作为主动以太网和加密设备的替代方案。

美国陆军部首席信息官发布指令，要求在2013财年前采用该技术。该技术将由像泰勒斯公司这样的公司销售给美国军方。^[4][5][6][7]

2.3 国际电气与电子工程师协会

2004年，以太网无源光网络(EPON或GEPON)标准802.3ah-2004被批准为IEEE 802.3以太网“第一英里”项目的一部分。^[1] EPON是一种“短距”网络，它使用以太网数据包、光缆和单协议层。EPON还使用标准的802.3以太网帧结构，上行和下行速率对称为1GBit/s。EPON适用于以数据中心网络，以及全业务语音、数据和视频网络。10 Gbit/s EPON或10G-EPON作为IEEE 802.3的修正案IEEE802.3av被批准。10G-EPON支持10/1 Gbit/s，下行波长计划支持在同一无源光网络上在一个波长上同时运行10 Gbit/s,并且在单独波长上同时操作1 Gbit/s，以便在一个无源光网络中同时运行IEEE802.3av和IEEE802.3ah。上行通道可以支持在单个共享(1310纳米)通道上同时运行IEEE 802.3av和1gb/s 802.3 ah。

2014年4000多万个EPON端口被安装，使EPON成为全球部署最广泛的无源光网络技术。作为DOCSIS提供EPON (DPoE)规范的的一部分，EPON也是有线运营商业务服务的基础。

10G EPON与其他以太网标准完全兼容，无需转换或封装即可连接到上行或下行端的基于以太网的网络。这项技术与任何类型的基于IP或分组的通信网络无缝连接，并且由于以太网在家庭、工作场所和其他地方的大规模部署，EPON通常实现起来成本极低。^[1]

无源光网络利用波分复用(WDM)，在单模光纤(ITU-T G.652)上使用一个波长用于下行业务，另一个波长用于上行业务。BPON、EPON、GEPON和GPON具有相同的基本波长配置，下行业务使用1490 nm波长，上行业务使用1310 nm波长。1550ns预留给可选的覆盖服务，通常是射频(模拟)视频通信。

与比特率一样，标准描述了几种光功率预算，最常见的是BPON和GPON的28 dB损耗预算，但同时产品也使用成本较低的光学器件。28 dB相当于大约20公里，有32路分路。前向纠错（FEC）可以为GPON系统提供额外2-3dB的功率预算。随着光学技术的进步，28dB的预算可能会提高。尽管GPON协议和EPON协议都允许较大的分流比(GPON高达128个用户，EPON高达32768个用户)，但实际上大多数EPON的分光比都是1:32或更小。

无源光网络由一个称为光线路终端(OLT)的中心局节点、一个或多个称为光网络单元(ONU)或光网络终端(ONTs)的用户节点以及它们之间的光纤和分路器组成，总称为光分配网络(ODN)。“ONT”是国际电信联盟术语，用来描述单用户ONU。在多用户单元中，ONU可以使用诸如双绞线以太网(一种可以在任何现有家庭布线(电源线、电话线和同轴电缆)或DSL上运行的ITU-T标准)等技术桥接到单个住宅单元内的用户。ONU是终止无源光网络，并向用户提供客户服务接口的设备。一些ONU部署一个独立的子用户单元来提供服务，例如电话、以太网数据或视频。

OLT提供无源光网络和服务提供商核心网络之间的接口。这些通常包括:

• 快速以太网、千兆以太网或万兆以太网上的IP流量；
• 标准时分复用接口，如SDH/SONET；
• ATM UNI，速度为155–622 Mbit/s

ONT或ONU终止无源光网络，并向用户呈现本地服务接口。这些服务可以包括语音(普通老式电话服务或语音电话VoIP)、数据(通常是以太网或V35)、视频和/或遥感(TTL、ECL、RS530等)。ONU功能通常分为两部分:

• ONU终止无源光网络，并向用户提供融合接口，如DSL、同轴电缆或多业务以太网；
• 网络终端设备(NTE)，输入融合接口并向用户输出本地服务接口，如以太网和POTS。

无源光网络是一个共享网络，因为OLT发送整个无源光网络都可见的单个下行数据流。每个ONU只读取那些发给它的数据包的内容。使用加密技术用于防止对下行流量的窃听。

OLT负责分配上行带宽给ONU。因为光分配网络(ODN)是共享的，如果在随机时间传输，ONU上行传输可能会发生冲突。ONU可以部署在离OLT不同距离的地方，这意味着每个ONU的传输延迟是唯一的。OLT测量延迟，并通过PLOAM(物理层操作和维护)消息在每个ONU设置一个寄存器，以均衡PON上的所有其他ONU的延迟。

一旦确定了所有ONU的延迟，OLT将向各个ONU转发所谓的授权。授权是对上行传输使用定义的时间间隔的许可。授权映射每隔几毫秒动态重新计算一次。该映射将未所有ONU分配带宽，以便每个ONU都能及时获得满足其服务需求的带宽。

有些服务(例如POTS)需要基本恒定的上行带宽，OLT可能会为已提供的每个此类服务分配固定的带宽。DS1和某些类别的数据服务也可能需要恒定的上行比特率。但是许多数据流量，比如浏览网站，是突发性的，变化很大。根据统计复用的流量工程概念，通过动态带宽分配(DBA)，无源光网络可以超额预分配上行流量。(下行流量也可以超额预分配，就像任何局域网都可以超额预分配一样。无源光网络体系中下行超额预分配的唯一特点是ONU必须能够完全接受任意时间和大小的下行时隙。)

在GPON，DBA有两种形式，状态报告(SR)和非状态报告(NSR)。

在NSR DBA中，OLT不断向每个ONU分配少量额外带宽。如果ONU没有要发送的流量，它会在超额分配期间发送空闲帧。如果OLT观察到给定的ONU没有发送空闲帧，它会增加分配给该ONU的带宽。一旦ONU传输了突发信号，OLT观察到来自给定ONU的大量空闲帧，就相应地减少其分配。NSR DBA的优势在于它对ONU没有任何要求，劣势在，OLT无法知道如何最好地在几个都需要更多带宽的ONU之间分配带宽。

在SR DBA中，OLT轮询ONU的待办事项。给定的ONU可能有几个所谓的传输容器 (T-CONT),，每个容器都有自己的优先级或流量等级。ONU分别将各个T-CONT向OLT报告。报告消息包含每个T-CONT队列中待办事项数量对数值。通过了解整个无源光网络中每个T-CONT的服务协议，以及每个传输容器的待办事项积压的大小，OLT可以优化无源光网络上备用带宽的分配。

EPON系统使用了相当于GPON中SR DBA解决方案的机制。OLT轮询ONU的队列状态并使用MPCP GATE消息分配带宽，而ONU使用MPCP REPORT消息报告它们的状态。

5.1 时分复用无源光网络（TDM-PON）

APON/BPON、EPON和GPON已得到广泛部署。截至2014年11月，EPON部署了大约4000万个端口，排名第一。^[8]

截至2015年，GPON的市场份额较小，但预计到2020年将达到105亿美元。^[9]

对于TDM-PON，光分配网络中使用无源光分路器。在上行方向，每个ONU或ONT突发地在指定的时隙(在时域中多路复用)进行传输。这样，OLT在任何时候都只能从一个ONU或ONT接收信号。在下行方向，OLT(通常)连续传输(或可能突发传输)。ONU或ONT通过嵌入在信号中的地址标签看到他们自己的数据。

5.2 EPON或DPoE的DOCSIS配置

EPON或DPoE的有线数据服务接口规范(DOCSIS)是一套有线电视规范，它在现有的以太网PON，包括（EPON，GEPON或10G-EPON）的媒体接入控制层(MAC)和物理层(PHY)标准上实现DOCSIS服务层。简而言之，它在现有的EPON设备上实现了DOCSIS运营管理维护和供应(OAMP)功能。它使EPON的OLT站像一个DOCSIS调制解调器终端系统(CMTS)平台(在DPoE术语中称为DPoE系统)。除了提供与CMTS相同的知识产权服务能力，DPoE还支持城域以太网协议(MEF) 9和14服务，为企业客户提供以太网服务。

5.3 光线射频传输

光线射频传输 (RFoG)是一种无源光网络，它通过无源光网络传输射频信号，这些信号以前是通过铜(主要是通过混合纤维同轴电缆)传输的。在前向光线射频传输要么是独立的P2MP系统，要么是现有无源光网络(如GEPON/EPON)的光学覆盖层。光线射频传输的覆盖层基于波分复用（WDM）——在单根光纤上复用不同的波长。反向射频传输通过将上行或下行射频信号加载到无源光网络不同的波长来实现的。电报与通信工程师学会（SCTE）接口实践委员会(IPS)第5工作组目前正在研究IPS 910光线射频传输标准。光线射频传输提供了与现有射频调制技术的兼容性，但没有为基于射频的服务提供额外的带宽。尽管还没有完成，光线射频传输标准实际上是一系列彼此不兼容的标准的集合 (它们不能在同样的PON上混合)。一些标准可能与一些PON兼容，而和其它的PON不兼容。它提供了一种传输射频信号的方法，适用于只有光纤可用的场合。这项技术针对有线电视运营商及其现有的HFC网络。

5.4 WDM-PON

波分复用无源光网络，或称WDM-PON，是一种非标准类型的无源光网络，一些公司正在开发。

WDM-PON的多种波长可用于将ONU分成在同一物理基础设施上共存的几个虚拟无源光网络。波长可以通过多路复用来共同使用，以提供有效的波长利用和较低的延迟。

WDM-PON没有共同的标准，也没有一致的术语定义。根据某些定义，WDM-PON是每个ONU的专用波长。其他定义又表明，在无源光网络的任何一个方向上使用一个以上的波长就是WDM-PON。当没有一致的定义时，很难给出一个真正的WDM-PON供应商名单。PON提供比传统铜线接入网络更高的带宽。而WDM-PON又具有更好的保密性和可扩展性，因为每个ONU只接收自己的波长。

优点:由于OLT和ONU之间的P2P连接是在波长域实现的，所以无需P2MP媒体访问控制，从而简化了媒体访问控制层。在WDM-PON中，每个波长都可以以不同的速度和协议运行，因此方便进行简单的按需升级。

挑战:初始部署成本高，WDM组件成本高。温度控制是另一个挑战，因为波长会随着环境温度而漂移。

5.5 时分和波分复用无源光网络

时分和波分复用无源光网络(TWDM-PON)是2012年4月提出的全业务接入网(FSAN)中下一代无源光网络(NG-PON2)的主要解决方案。TWDM-PON可以与商用千兆无源光网络和万兆无源光网络共存。

5.6 长距离光接入网

长距离光接入网(LROAN)的概念是用于代替在本地交换机发生的光/电/光转换，用从客户到核心网的全光链路。英国电信公司的戴维和佩恩的工作表明，通过减少当地中心节点所需的电子设备和空间，可以显著节约成本。^[10] 一个演示实验表明，在100公里范围内以每秒10GBit的速度为1024个用户提供服务是可能的。^[11]

这种技术有时被称为长距离PON，然而，许多人认为在这里PON的称呼不再适用，因为在大多数情况下，PON仅仅指代纯无源光网络。

由于无源光网络的拓扑结构，下行(即从OLT到ONU)和上行(即从ONU到OLT)的传输模式是不同的。对于下行传输，OLT以连续模式(CM)向所有的ONU广播光信号，也就是说，下行信道总是具有光数据信号。然而，在上行信道中，ONU不能以连续模式传输光数据信号。使用连续模式会导致所有从ONU传输的信号通过功率分配器（用作耦合器）汇聚（具有衰减）到一根光纤中，并相互重叠。为了解决这个问题，上行信道采用突发模式（BM）传输。给定的ONU仅在分配了时隙并且需要传输时才传输光分组信息，并且所有的ONU在时分复用（TDM）模式下共享上行信道。OLT接收到的BM光分组信息的相位因分组而异，因为发射光分组信息的ONU没有同步，并且OLT和给定ONU之间的距离是随机的。由于OLT和ONU之间的距离不均匀，OLT接收的光分组可能具有不同的振幅。为了补偿短时间内的相位变化和幅度变化(例如，对于GPON在40ns内^[12])，需要分别采用突发模式时钟恢复(BM-CDR)以及突发模式放大器(例如突发模式TIA)。此外，BM传输模式要求发射机以突发模式工作。这种突发模式的发射机能够在短时间内打开和关闭。无源光网络中的上述三点特征与点对点连续模式光通信链路特征有很大不同。

无源光网络不使用电力驱动元件件来分离信号。取而代之的是，使用光分束器进行分配信号。每个光分路器通常将来自单根光纤的信号分成16根、32根或最多256根光纤，这具体取决于制造商。单个机柜可聚合多个分路器。光分束器不能提供任何切换或缓冲能力，也不使用任何电源供电。这被称为点到多点连接。对于这种连接，客户端的光网络终端必须具备一些特殊功能。例如，由于没有交换，离开中心局的每个信号必须广播给所有用户(包括那些不打算接收该信号的用户)。因此，要由光网络终端过滤掉任何打算给其他用户的信号。此外，由于分路器没有缓冲，每个单独的光网络终端必须以复用方案进行协调，以防止客户发送的信号相互冲突。有两种类型的复用可以实现这一点:波分复用和时分复用。利用波分复用技术，每个客户都使用一个独特的波长传输信号。利用时分复用（TDM）技术，用户可以“轮流”传输信息。时分复用设备面世时间最长。因为“WDM-PON”设备没有单一的定义，各种供应商都声称自己发布了“第一个”WDM-PON设备，但是对于哪种产品是“第一个”WDM-PON产品推向市场还没有达成共识。

无源光网络与有源网络相比既有优点也有缺点。它们避免了电子设备在户外工作的复杂性。它们还允许模拟广播，这可以简化模拟电视的传输。然而，因为每个信号必须被传输到由分路器服务的每个用户(而不仅仅是一个交换设备)。中心局必须配备一个特别强大的传输设备，称为光线路终端（OLT）。此外，因为每个客户的光网络终端必须一直传输到中心局(而不仅仅是最近的交换设备)，所以需要中继器来实现与中心局的长距离通信，而有源光网络，由于其具有外部线路设备，自身即具备长距离通信能力。

光分布网络也可以设计成点对点“全垒打”拓扑，其中分路器和/或有源网络都位于中心局，允许用户接入光分布框架所需的任何网络。

现代无源光网络背后的驱动因素是其高可靠性、低成本和无源功能。

单模无源光学元件包括分支器件，如波分复用器/解复用器（WDMs）、隔离器、环形器和滤波器。这些组件用于局间、环路馈线、环路光纤(FITL)、混合光纤同轴电缆(HFC)、同步光网络(SONET)和同步数字体系(SDH)系统，以及采用由光纤放大器(OFAs)和密集波分复用器(DWDM)系统构成的光学通信系统的其他电信网络。Telcordia Technologies于2010年公布了这些组件的规格。^{[13] [14]}

无源光学元件广泛应用于多通道传输、分配、用于监控的光学抽头、光纤放大器的泵浦、比特率限制器、光连接、路由分集、偏振分集、干涉仪和相干通信。

波分复用器是一种光学元件，它根据光信号的波长组成来分离或组合功率。密集波分复用器(DWDM)是在至少四个波长上分配功率的光学元件。波长不敏感耦合器是无源光学元件，功率的分离或合成与光信号的波长组成无关，可以同时组合和分离光信号，如在单根光纤上的双向(双工)传输。无源光学元件是数据格式透明的，它以某一预定比率(耦合比率)组合和分配光功率，而不管信号的信息内容如何。波分复用器可以被认为是波长分离器和组合器。波长不敏感耦合器可以被认为是功率分配器和组合器。

光隔离器是一种双端口无源元件，允许光(在给定波长范围内)以低衰减沿一个方向通过，同时隔离(提供高衰减)沿相反方向传播的光。隔离器在激光二极管模块和光放大器中既可用作集成和串联元件，用于降低高比特率和模拟传输系统中多径反射引起的噪声。

光环行器的工作方式与光隔离器相似，只是反向传播的光波被导向第三端口输出，而不是丢失。光环行器可用于双向传输，作为一种分支部件，根据光波传播的方向在光纤之间分配(和隔离)光功率。

光纤滤波器是一种具有两个或更多端口的组件，提供波长相关损耗、隔离和/或回波损耗。光纤滤波器是串联的波长选择性元件，允许特定范围的波长以低衰减通过（或反射），这取决于滤波器的工作类型。